Полупроводниковая тестовая микроструктура для интегральной схемы

Полупроводниковая тестовая микроструктура для интегральной схемы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТЕСТОВАЯ МИКГОСТВУКТУРА ДПЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ , содержащая полупроводниковую подложку , последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы, отличающаяс я тем, что, с целью повьшения ; точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем, она выполнена так, что одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев, рабочего участка интегральной , а другая часть представляет собой выступающие друг из-под друга мйкроучастки контролируемых слоев, образукяцих рабочий участок, заканчивающиеся торцами , выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям плёнок , образующих ступеньки для вьшележащих пленок, и позволяющими визу (Л ализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вышележащими слоями. 2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК,(51)4 Н 01 Ь 27 04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ С СР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИЙ (21) 3231372/18-25 (22) 04.01.81 (46) 23.04.88. Вюл. У 15 (72) В.Ф.Трегубов (53) 621.382.002 (088.8) (56) Кармазинский А.Н. Морфология тестовых структур для исследовйния интегральных схем на МДП вЂ” транзисторах. Микроэлектроника, вып. 7, 1974, с. 121-133.

Патент США N 3564354, МКЫ 317-235, опублик. 1971...(54)(57) ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ТЕСТОВАЯ

МИКРОСТРУКТУРА ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ, содержащая полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы, о т л и ч а ю щ а я„„SU„„044203, А с я тем, что, с целью повьппения точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем, она выполнена так, что одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев. рабочего участка интегральной схемы, а другая часть представляет собой выступающие друг из-под друга мнкроучастки контролируемых слоев, образующих рабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям пленок, образующих ступеньки для вышележащих пленок, и позволяющими визуализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вышележащими слоями

1044203

Предлагаемое изобретение относится к микроэлектронике, а предлагаемая структура может быть использована как тестовая в технологии произ5 водства полупроводниковых интегральных схем для межоперационного контроля, отработки и корректировки изготовления, анализа брака и отказов.

Известна тестовая структура .для определения параметров интегральных схем, представляющая собой паразитный транзистор, состоящий из кремниевой подложки, в которой сформированы исток и сток транзисторов, диэлектрической пленки из двуокиси кремния и алюминиевой металлизации, обеспечивающей контакты с истоком, стоком и лежащим на диэлектрической пленке затвором и содержащей три кон-20 тактные площадки для подсоединения этих областей к установке измерения электрофизических параметров.

Недостатком тестовой структуры является то, что ее топология (конструкция) непригодна для точного контроля микрогеометрии отдельных элементов и микроучастков современных микросхем высокой степени интеграции, например, путем использования растрового электронного микроскопа, значимость которого в производстве интегральных схем будет расти вместе с ростом степени интеграции их элементов.

Например, невозможно получение нужной информации в тех случаях, когда необходимо выявление формы краев (профиля) элементов нижележащих слоев (козырьков сверху, локальных подтравливаний снизу и тому подобных откло-. нений от плоскости, определяющей клин травления пленки в ее средней части) или когда нужна количественная оценка утоньшения пленок на ступеньках, 45 образованных фотолитографией В нижележащих слоях, и тому подобно влияния микрогеометрии на параметры интег- . ральных схем.

Непригодность топологии обусловлена прежде всего тем, что вышележащие слои закрывают элементы нижележащих слоев и топология отдельных слоев не приспособлена для контроля с помощью растрового электронного микроскопа (иапример, если в верхнем слое струк-55 туры вскрыть окно простой формы квадратное, то точный профиль травления края этого слоя не выявить и с помощью растрового электроного микроскопа) .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является полупроводниковая тестовая микроструктура, содержащая полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы.

Контроль параметров интегральной схемы с помощью такой тестовой структуры осуществляется измерением ее характеристик после подключения к установке измерения электрофизических параметров.

Эта и ей подобные тестовые структуры позволяют простыми .средствами выявлять сам факт брака в любых слоях, но оказываются недостаточно эффективными при выяснении технологических первопричин брака и корректировке технологии изготовления.

Таким образом, недостаток тот же, что и у аналога: ее топология не обеспечивает точного технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем.

Целью изобретения является повышение точности технологического контроля микрогеометрии элементов слоев интегральных схем.

Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковой тестовой микроструктуре, содержащий полупроводниковую подложку, последовательно расположенные на ней диэлектрические и проводящие слои, повторяющие структуру интегральной схемы, одна часть этой структуры воспроизводит геометрию диэлектрических и проводящих слоев рабочего участка интегральной схемы, а другая часть представляет собой выступающие друг изпод друга микроучастки контролируемых слоев, образующих рабочий участок, заканчивающиеся торцами, выполненными перпендикулярно подложке и боковым поверхностям пленок, образующих ступеньки для вышележащих пленок, и позволяющими визуализировать профили травления и толщины пленок на участках, прикрытых на интегральной схеме вьппележащими слоями.

На фиг. 1 приведена топология микроструктуры для определения причин разрывов алюминиевых пленок на

1044203

55 краях контактных окон в диэлектрических слоях на фиг.2 — топология структуры для контроля степени сплавления фосфорносиликатного стекла и определения причин разрывов алюминиевых пленок на ступеньках в слое стекла, на фиг.3 — топология структуры для количественной оценки утоньшения межслойной изоляции на краях элементов нижележащего проводящего слоя.

На кремниевой подложке 1 (фиг. 1) последовательно расположены слои из двуокиси кремния 2 и фосфорносиликатного стекла 3, в каждом из которых выполнены несколько отличающиеся по размерам окна такой формы,что в центре структуры образованы две лежащие друг на друге пленки крестообразной формы, нижняя из которых со всех сторон выступает из-под верхней. Невытравленные участки слоя 2 заштрихованы параллельными линиями одного направления, а слоя 3 — другого направления (следовательно, на участках, содержащих пересекающиеся линии обоих направлений, имеются и двуокись кремния, и фосфорносиликатное стекло). Поверх диэлектрических слоев лежит слой 4 алюминия так, что он проходит через их края, имитируя тем самым соответствующий участок интегральной схемы. Топология слоя 4 проста (квадрат в центре структуры) и для упрощения чертежа еще один вид штриховки не вводится, а показаны лишь границы пленки.

На участке, отмеченном кружком (фиг.1), каждый из невытравленных участков слоев 2 и 3 имеет прямой угол, что обеспечивает выявление формы огибающей линии (профиля травления) краев этих слоев. При просмотре в направлении стрелки этого участка в растровом электронном микроскопе можно одновременно визуализировать (сфотографировать) и возможное место разрыва слоя алюминия на краях диэлектрических слоев, а клин травления этих слоев, который обычно непостоянен по высоте.

Неудовлетворительная форма краев элементов (козырьки, подтравы и т.д.) создающих ступеньки для алюминиевого слоя, является одной из главных причин возможных разрывов последнего и отсутствия контакта с подложкой (другая причина — плохо отработанный процесс напыления алюминия). B случае разрыва алюминиевого слоя предлагаемая микроструктура позволяет

5 не только унидеть разрыв, но и по форме профиля травления каждого диэлектрического слоя определить необходииость доработки режима травления конкретного слоя (для получения профиля ступенек нужной формы) и контролировать сам процесс доработки, тогда как по структуре, подобной прототипу, легко установить лишь сам факт разрыва.

Крестообразность формы диэлектрических слоев, образующих в структуре ступеньки, позволяет проводить обследование их краев с четырех сторон, причем с каждой стороны можно обследовать профили, как минимум, двух ступенек одного слоя, боковые поверхности которых обращены в противоположные стороны (это важно, так как

25 форма профиля травления при фотолитографии может зависеть, например, даже от направления погружения в травитель кремниевой пластины и поэтому противоположные края одного и тоЗО го же элемента в слое могут иметь разный клин травления, что в конечном счете может привести к односторонним разрывам алюминиевых планок).

В связи с этим, нужно отметить, что на фиг. 1-3 кружками отмечены для

35 простоты только по одному участку обследования, тогда как на каждой из них имеется по восемь подобных по топологии участков, каждый из

40 которых может иметь несколько отличающиеся профили травления краев одного и того же слоя, характеризуя соответственно расположенные края элементов на интегральной схеме и обеспечивая возможность обойтись одной структурой вместо нескольких.

Кроме того, структуры содержат и по нескольку одинаково расположенных ступенек (фиг.1-3), что исключает случайность в определении профиля краев и толщин пленок.

Таким образом, структура, приведенная на фиг.1, позволяет выяснить технологические причины брака в слоях, прикрытых на рабочем участке интегральной схежi другими слоями, а также может использоваться для отработки технологии, межоперационного и

1044203

20 периодического контроля и анализа отказов. !

Другим примером конкретного ис-. полнения является микроструктура для периодического контроля режима оплавления фосфорносиликатного стекла и анализа причин брака и отказов металлизации (топология дана на фиг.2).

На кремниевую подложку нанесен сплошной слой двуокиси кремния, на котором сформирован слой 5.из поликристаллического кремния крестообразной формы, на который, в свою очередь, последовательно нанесены два сплошных слоя— второй слой двуокиси кремния и слой

3 фосфорносиликатного стекла, а сверху сформирован квадратный алюминиевый слой 4. Для упрощения чертежа подложка и сплошные слои отмечены общей штриховкой одного направления, слой 5 поликремния — штриховкой другого направления, а слой алюминия 4 не заштрихован и показаны лишь его границы.

При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кцужком (фиг.2), в растровом электронном микроскопе можно опреДелить качество оплавления фосфорносиликатного стекла, влияющее на целостность алюминиевой металлизации в районе ступеньки, образованной краем слоя поликремния.

На фиг.3 показан еще один важный пример конкретного исполнения и применения предлагаемых микроструктур— топология структуры для количественной оценки качества межслойной изоляции и борьбы с утечками и низкими пробивными напряжениями диэлектрических слоев. На кремниевой подложке расположен сплошной слой 2 двуокиси кремния, на котором сформирован по ликремниевый слой 5 крестообразной формы. Над ним последовательно сформированы два одинаковых по размеру диэлектрических слоя крестообразной формы из двуокиси кремния и фосфорносиликатного стекла, границы которых совпадают. Поверх слоя стекла лежит алюминиевый слой квадратной формы. Для упрощения чертежа подложка и слои 2 и 4 не заштрихованы, слои 3 отмечены общей штриховкой одного направления, а слой 5 — штриховкой другого направления.

В такой структуре могут возникнуть утечки и снижается пробивные на25

55 пряжения иэ-за утоньшения диэлектрических слоев на острых или отвесных краях поликремниевого слоя. При просмотре в направлении стрелки участка этой структуры, отмеченного кружкЬм (фиг. 3), в растровом электронном микроскопе можно увидеть в одном поле зрения (и сфотографировать) боковые поверхности (торцы) и профили травления почти всех слоев, что позволяет: а) оценить толщину диэлектриков в самом тонком, месте (на краю поликремниевого слоя) и выявить ее зависимость от клина травления (формы края) поликремниевого слоя и режимов нанесения и оплавления фосфорносиликатного стекла; б) выяснить причины возможных разрывов алюминиевого слоя на ступеньках оплавленного и неоплавленного стекла; в) выбрать режимы травления поликремния, нанесения диэлектрических слоев и оплавления фосфорносиликатноro стекла.

Полупроводниковые микроструктуры (фиг.1-3) не только воспроизводят ситуацию на соответствующем участке интегральной схемы, но и содержат окна, выполняющие два назначения, открывают доступ к элементам нижележащих слоев для прямого контроля их геометрии и формируют микроучастки, по которым удобно визуализировать профиль травления краев элементов, создающих ступеньки для вышележащих слоев, и толщины слоев на критических участках.

Такая конструкция микроструктур обеспечивает возможность эффективного применения для контроля растрового электронного микроскопа, имеющего значительно большую разрешающую способность и глубину фокуса,чем используемый для контроля структур оптический микроскоп.

Вышеописанные конструкции структур занимают очень мало площади и для них легко найти свободный участок порядка 30 х 30 или 50 х 50 мкм между элементами интегральной схемы, например, в районе контактных площадок.

К достоинствам предлагаемых струк-.

\ тур следует отнести и то, что, благодаря наличию окон в вышележащих слоях, при анализе причин брака или

1044203 отказов можно обойтись без послойного травления, тем более, что оно не всегда приводит к успеху в связи, с тем что дефектное место травится по другим законам, чем бездефектное.Это позволит более точно определить случаен ли дефект, приведший к браку или отказу, или он был обусловлен одним из неудачно проведенных техпроцессов.

Как и в случае обычных тестовых структур, предлагаемые микроструктуры не требуют специального времени для изготовления: они включаются в топологический чертеж интегральной схемы и изготавливаются фотолитографией одновременно с самой интегральной схемой.

Технико-экономическая эффективность от внедрения в отрасли предлагаемого изобретения для микросхем с большой степенью интеграции будет сравнима с тем эффектом, который дало внедрение обычных тестовых структур для интегральных схем вообще.

1044203

Фиг. 2

Редактор Н.Сильнягина Техред А.Кравчук Корректор И.Эрдейи

Тираж 746 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3375

Производственно-полиграфическое предприятие, r, Ужгород, ул. Проектная, 4